皖南几种散生竹主要材性研究

雷 刚，王鹏程，汪佑宏*，赵 啟，漆良华

(1.国际竹藤中心三亚研究基地，海南 三亚 572029；2.安徽农业大学 林学与园林学院，安徽 合肥 230036；3.国际竹藤中心，北京 100102)

世界竹类植物有70多属1 200多种，其中我国就有约48属500余种[1]。竹材(bamboo)具有生长快、成材早、材性好等特点，是重要的森林资源，具有重要的经济价值和利用前景[2]。

竹材的主要材性是指其物理、力学及化学性质，而竹材物理性质研究重点主要集中在密度上。杜复元等[3]对浙江 10个竹种2年生竹材的密度等的测试结果表明，丛生竹的实质密度、绝干密度均大于散生竹。但也有学者研究表明，随竹竿高度增大，竹材维管束密度不断增大，导管口径逐渐减小，使得密度增大[4-6]。不同坡向对毛竹材的密度也有不同影响，研究表明，东北坡向毛竹材基本密度、气干密度分别为0.699、0.798 g·cm-3，而西南坡向毛竹材基本密度、气干密度值分别增加了2.97%和4.62%，且在0.05水平上经T-检验差异显著[7]。

密度与竹材的力学性能、耐磨性及发热值等均有密切关系[8-9]，而作为功能性材料的竹材，力学性质是影响其直接或间接运用的重要指标。就强度和成本而言，竹子被认为是自然界中效能最高的材料[10]。一般而言，竹秆的力学强度自上而下、自外向内，都呈现降低的趋势[7，11]。

竹材的物理性质、力学性质是衡量其自身质量的重要指标，但对近些年来，在对竹材的研究重点也从物理、力学性质扩展到包括其化学性质[12-13]。王鹏程[4]认为，竹材在化学方面的利用最主要是作为纸浆原料，其化学组成与木材类似[14-15]，但同一竹种，不同竹龄、不同部位的竹材中纤维素含量也有差异，竹秆从下到上递减，竹壁从内到外递增；竹材中半纤维素的成分几乎全为多缩戊糖；竹材木质素的构成类似于木材，但是羟基苯丙烷所占的比例较高；竹材中抽提物含量虽少却也很复杂，一般提取的溶剂为冷水、热水、醚、醇和1%氢氧化钠溶液[16-17]。

我国是世界上2个最大的产竹国之一、竹资源非常丰富，是仅次于木材的优良可再生生物质材料。竹材的性能影响着其加工利用，竹材的韧性和强度首屈一指。因此，加大对竹材基本材性的研究具有重要意义。本研究将对6种散生竹种的物理、力学及化学性质进行分析，为竹材数据库的构建和高附加值加工利用提供数据依据，有利于竹材资源的开发并对缓解木材供求矛盾具有积极意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

按国家标准规定在国际竹藤中心安徽太平试验中心，选择唐竹(Sinobambusatootsik)(秆径3.3 cm)、中华大节竹(Indosasasinica)(秆径4.0 cm)、甜竹(Phyllostachysflexuosa)(秆径4.6 cm)、粉绿竹(Phyllostachysviridiglaucescens)(秆径3.7 cm)、红哺鸡竹(Phyllostachysiridescens)(秆径4.3 cm)及雷竹(Phyllostachysviolascens)(秆径4.9 cm)共6种无明显缺陷的样竹，按GB/T 15780-1995规定每种不少于15株，每株从离地约1.5 m的整竹节处，向上截取长约2.0 m的一段，在整竹节处截断作为试验材料，从基部向上依次编号、备用。

1.2 试验方法

竹材密度，竹材抗拉强度、抗弯强度、抗压强度和抗剪强度试样的规格、形状参照《竹材物理力学性质试验方法》(GB/T 15780-1995)进行。

化学性质测试时，每个竹种选3株，分别从其梢部、中部、基部取样混合；然后经剖分、磨碎，筛取40～60目的竹粉20 g(试验用所需15 g，留5 g备用)，分别按照GB/T 2677-1994、GB/T 2677-1995、GB/T 747-2003及GB/T 744-1989，测定竹材的苯醇抽提物、综纤维素、酸不溶木质素以及α纤维素4个指标[4]。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 24进行异常值筛选，并以单因素方差分析(one-way ANOVA)进行数据显著性分析(P<0.05)。

试验数据变异系数按照下式计算。

(1)

式中:CV为试样数据变异系数；σ为数据标准差；μ为数据均值。

2 结果与分析

2.1 密度

竹材密度一般包括生材密度、气干密度、绝干密度和基本密度，其中气干密度和基本密度最为常用，绝干密度相对较少，生材密度则很少使用。竹材的密度和其力学强度有关，一般来说，生物质材料的密度越大，对应的力学强度也会随之增强[4]。

2.1.1 气干密度 粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹及红哺鸡竹的气干密度如图1所示，其均值分别为0.89、0.56、0.74、0.73、0.84 g/cm3[4]。由图1可知，不同竹种之间气干密度差异显著(P<0.05)，其中粉绿竹气干密度最高；中华大节竹最低，约为粉绿竹的62.9%。各散生竹气干密度变异系数如表1所示。由表1可知，甜竹的试样变异系数最大，为2.59%；粉绿竹和唐竹的变异系数较小，分别为1.89%和1.74%，即在气干状态下，粉绿竹与唐竹的材质均匀，不同部位间的气干密度差异最小[4]。

表1 各竹种试样密度变异系数

气干密度是生产加工中常为用到的物理性能指标，毛竹作为我国国内用途最广，同时也是产量和资源最为丰富的竹材材种，其气干密度0.76 g/cm3[4,9]，由图1可知，粉绿竹和红哺鸡竹的气干密度显著高于毛竹(P<0.05)，分别高出17%和11%；而中华大节竹的气干密度仅为毛竹气干密度的74%。气干密度由小到大具体表现为：中华大节竹、唐竹、甜竹、毛竹、红哺鸡竹、粉绿竹[4]。

2.1.2基本密度 竹材的基本密度一般在0.4～0.9 g/cm3[18]。由图1可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹及红哺鸡竹的基本密度均值分别为0.69、0.45、0.58、0.63、0.62 g/cm3。其中粉绿竹基本密度显著高于其他竹种(P<0.05)，中华大节竹最低，约为粉绿竹的65%。由表1可知，甜竹试样的基本密度变异系数最大，为4.32%；生材中，中华大节竹的材质最稳定，不同部位间的基本密度差异最小[4]，变异系数仅为1.14%。

与用途最广的毛竹比较，毛竹的基本密度为0.65 g/cm3[4,9]，粉绿竹比毛竹的基本密度高约6.2%；唐竹、红哺鸡竹和甜竹的基本密度与毛竹相近；中华大节竹的基本密度与毛竹相差较大，为毛竹基本密度的69%。基本密度由小到大具体表现为：中华大节竹、甜竹、红哺鸡竹、唐竹、毛竹、粉绿竹[4]。

2.1.3 绝干密度 由图1可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹及红哺鸡竹的绝干密度分别为0.80、0.52、0.70、0.72、0.73 g/cm3[4]。不同散生竹种之间的绝干密度与2.1.2所述的基本密度呈现相似规律，粉绿竹绝干密度最高，中华大节竹最低。由表1可知，甜竹试样的绝干密度变异系数依旧最大，高达7.23%；中华大节竹的变异系数最小，为1.66%，即绝干状态下，中华大节竹的材质最稳定，不同部位间的绝干密度差异最小[4]。

与毛竹的绝干密度(0.79 g/cm3[19])相比，粉绿竹的绝干密度与毛竹差异不显著(P>0.05)；其他竹种的绝干密度均低于毛竹，其中以中华大节竹最低，毛竹的绝干密度约为中华大节竹的1.5倍。绝干密度由小到大具体表现为：中华大节竹、甜竹、唐竹、红哺鸡竹、毛竹、粉绿竹[4]。

综上所述，粉绿竹密度最高，优于毛竹，且密度较为稳定，变异性小；红哺鸡竹、唐竹和甜竹的密度均与毛竹相当；而中华大节竹密度小于毛竹。因此，就力学性质主要参考指标——密度而言，在某些方面，粉绿竹、红哺鸡竹、甜竹和唐竹亦可代替毛竹来使用。

2.2 力学性质

2.2.1 抗拉强度 抗拉试验的竹材有粉绿竹、中华大节竹、甜竹和唐竹，其抗拉试样的含水率变化分别为10%～11%、8%～10%、9%～11%、7%～10%。

由图2可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹及唐竹的顺纹抗拉强度均值分别为：448.33、374.43、340.77、381.05 MPa[4]。其中顺纹抗拉强度最高的为粉绿竹，与其他试验竹材差异显著(P<0.05)；唐竹和中华大节竹抗拉强度次之；甜竹最低，其抗顺纹拉强度约为粉绿竹的76%。与毛竹(216.7 MPa[19])相比，各试验竹种顺纹抗拉强度均显著高于毛竹(P<0.05)。其中粉绿竹的顺纹抗拉强度比毛竹高了106.88%；试验竹种中甜竹的抗拉强度均值最低，但也比毛竹高出57.25%。抗拉强度由小到大具体表现为：毛竹、甜竹、中华大节竹、唐竹、粉绿竹。各散生竹试样的强度数据变异系数如表2所示，其中变异系数最大的唐竹为25.4%，变异系数较小的甜竹和粉绿竹分别为8.6%、10.2%，说明该竹材试样抗拉强度差异较小，性能更加稳定。

顺纹抗拉强度与气干密度之比(即比强度)是衡量结构材料质轻高强的重要指标，各试验竹种与毛竹的比强度如图2所示。由图2可知，绿粉竹、中华大节竹、唐竹和甜竹的比强度均高于毛竹(285.13 MPa·cm-3·g-1)，其中粉绿竹和中华大节竹比强度最为优异，分别为614.15、665.05 MPa·cm-3·g-1，比毛竹高133.2%和115.4%。说明绿粉竹与中华大节竹可作为质轻高强度的优质结构材料使用。就抗拉强度大小而言，可用粉绿竹、中华大节竹和唐竹代替毛竹，制作家具的柱、腿等支撑、连接构件[19]。

2.2.2 抗弯性能 由图3可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹和唐竹的抗弯强度均值分别为218.71、119.82、213.86、250.56 MPa。其中粉绿竹、甜竹和唐竹的抗弯强度较高，且差异不显著(P>0.05)；而中华大节竹的抗弯强度显著低于其他试验竹材(P<0.05)，仅有唐竹抗弯强度的47.8%，由2.1可知，中华大节竹密度最低，因此导致其抗弯强度相对较弱。由表2可知，唐竹试样抗弯强度变异系数最大，而甜竹抗弯强度变异系数最小，抗弯性能更加稳定。

表2 各竹种试样力学强度数据变异系数

毛竹的抗弯强度为163.1 MPa[19-21]，除中华大节竹以外，其他试验散生竹材的抗弯强度均显著高于毛竹(P<0.05)。其中，唐竹的抗弯强度比毛竹高了53.6%，粉绿竹比毛竹高了34.1%，甜竹比毛竹高了31.1%。抗弯性能优劣由小到大具体表现为：中华大节竹、毛竹、甜竹、粉绿竹、唐竹。因此，就抗弯性能而言，唐竹、粉绿竹和甜竹因具备优异的弯曲韧性，在某些地方可代替毛竹来使用，如竹编工艺[4]。

2.2.3 抗压强度 由图4可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹和唐竹的顺纹抗压强度均值分别为101.22、92.87、94.93 MPa和101.72 MPa。其中粉绿竹和唐竹的抗压强度较高；中华大节竹抗压强度最低。且由表2可知，唐竹和甜竹抗压强度变异系数仅有5.9%、5.4%，说明该竹材抗压强度优异且性能稳定。

毛竹的顺纹抗压强度为76.64 MPa[9]，各试验散生竹材顺纹抗压强度均显著高于毛竹(P<0.05)。其中粉绿竹和唐竹抗压强度分别比毛竹高32.1%、32.7%。抗压强度由小到大具体表现为：毛竹、中华大节竹、甜竹、粉绿竹、唐竹。就抗压强度而言，在某些应用方面，可用粉绿竹、唐竹代替毛竹用于制作家具的柱、腿等支撑、连接构件，或作为竹材地板的制造材料[12-13]。

2.2.4 抗剪强度 由图5可知,不同散生竹材之间强度差异显著(P<0.05),其均值分别为20.16、12.24、13.07、8.85、22.38、15.43 MPa。其中红哺鸡竹和粉绿竹的顺纹抗剪强度相对较高；唐竹最低，仅有红哺鸡竹顺纹抗剪强度的39.5%。由表2可知，红哺鸡竹、粉绿竹和雷竹的抗剪强度变异系数仅约10%，为抗剪强度高且性能稳定材料。

毛竹的顺纹抗剪强度高达18.61 MPa[9]，试验散生竹材中粉绿竹顺纹抗剪强度与毛竹相近，差异不显著(P>0.05)，红哺鸡竹的抗剪强度显著高于毛竹(P<0.05)，而甜竹、雷竹、唐竹和中华大节竹则显著低于毛竹(P<0.05)。抗剪强度由小到大具体表现为：唐竹、中华大节竹、甜竹、雷竹、毛竹、粉绿竹、红哺鸡竹。红哺鸡竹和粉绿竹的抗剪强度均比毛竹高，但在众多的应用行业中，顺纹抗剪强度并不是越大越好，例如在竹集成材、竹(木)重组材[23]等行业中，抗剪强度越高，则加工越难；在竹集成地板的制造行业里，就抗剪强度而言，雷竹、甜竹、中华大节竹和唐竹可以替代毛竹[4]。

2.3 化学性质

2.3.1 苯醇抽提物 由图6可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹、红哺鸡竹和雷竹的苯醇抽提物含量均值分别为4.07%、6.75%、7.32%、4.92%、6.60%、7.07%。与毛竹的苯醇抽提物含量(3.67%[24])相比，粉绿竹和唐竹的苯醇抽提物含量与毛竹无显著性差异,而中华大节竹、甜竹、红哺鸡竹和雷竹的抽提物含量则显著高于毛竹(P<0.05)。苯醇抽提物含量由小到大具体表现为：毛竹、粉绿竹、唐竹、红哺鸡竹、中华大节竹、雷竹、甜竹。

2.3.2 综纤维素 由于纤维素含量测定存在着一定的不足，分析结果不能正确反映纤维的真实性，因而选择测定综纤维素含量来表示原料的使用价值更为适宜[4,25]。由图6可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹、红哺鸡竹和雷竹的综纤维素平均含量分别为64.78%、67.90%、67.85%、62.49%、67.74%和62.85%[4]。各试验散生竹材的综纤维素含量虽有显著性差异，但含量差距较小。与毛竹的综纤维素含量(75.07%[24])相比，各试验散生竹的综纤维素含量均显著低于毛竹。综纤维素含量由小到大具体表现为：唐竹、雷竹、粉绿竹、红哺鸡竹、甜竹、中华大节竹、毛竹。

2.3.3 α纤维素 α纤维素是通过17.5 g/L NaOH溶液处理竹材纤维原料，在20 ℃水浴45 min，再用9.5 g/L NaOH溶液洗涤，再用水洗涤，将其中的非纤维素的碳水化合物大部分溶出，留下的纤维素以及中性纤维，就是α纤维素[4]。

由图6可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹、红哺鸡竹和雷竹的α纤维素平均含量分别为42.82%、38.67%、35.37%、43.09%、35.12%、40.38%。显著性分析结果表明，粉绿竹和唐竹的α纤维素含量显著高于其他试验散生竹材(P<0.05),如2.2力学强度试验结果所述，高纤维素含量使得粉绿竹和唐竹在力学性能方面发挥优势；而纤维素含量较低的红哺鸡竹和甜竹则具有较弱的力学强度，尤其是抗拉强度和抗弯曲强度。

与毛竹的α纤维素含量(59.82%[24])相比，各试验散生竹材的纤维素含量均显著低于毛竹。α纤维素含量由小到大具体表现为：红哺鸡竹、甜竹、中华大节竹、雷竹、粉绿竹、唐竹、毛竹。

2.3.4 酸不溶木质素 木质素也称结壳物质，是木质材料细胞壁和胞间层的主要组成成分；本研究用KLASON木质素法测定竹材木质素即酸不溶木质素含量。

由图3可知，粉绿竹、中华大节竹、甜竹、唐竹、红哺鸡竹和雷竹的酸不溶木质素含量均值分别为24.49%、24.93%、25.42%、21.38%、25.42%、20.63%。各散生竹的酸不溶木质素含量差异较小，且除唐竹和雷竹外与毛竹的酸不溶木质素含量(24.77%[24])无显著性差异(P>0.05)。酸不溶木质素含量由小到大具体表现为：雷竹、唐竹、粉绿竹、毛竹、中华大节竹、甜竹、红哺鸡竹。

3 结论与讨论

我国利用竹类造纸历史悠久，竹类纤维仅次于针叶材纤维，基本上属长纤维原料，是优良的造纸原料。对上述各竹种化学组分的测定和分析，对扩大制浆造纸原料的选择以及充分利用竹类资源具有重要意义。首先，纤维含量的高低制备高性能纸张的关键因素，由2.3.2和2.3.3可知，试验散生竹材的综纤维素及α纤维素含量约达到了70%和40%，虽然略低于毛竹，但其纤维质量远高于芦苇、稻麦等草类原料[26]。其次，苯醇抽提物含量高，说明其中含有较多的单宁、色素、脂肪酸等物质，在蒸煮过程中速度减慢，在制浆中也会影响制浆颜色[4]。因此，从苯醇抽提物含量的角度看，具有低抽提物的粉绿竹和唐竹可作为优良的制浆造纸原料。最后，在制浆造纸过程中，浆料中的木质素会对抄造的纸张强度产生影响，木质素含量在竹秆不同高度并不相同，但一般分布在19%～25%，不过也有少数在25%以上，由2.3.4可知甜竹和红哺鸡竹为木质素含量较高的2个竹种[4]。竹材用作造纸原料时，木质素含量是制定合理蒸煮条件与漂白工艺的重要依据；一般而言，木质素质量分数高，蒸煮困难，消耗的化学药品也相对较多[4,25]。因此，从酸不溶木质素含量来看，在作为纸浆原料制浆造纸时，可以采用木质素含量相对较低的唐竹和雷竹。

各试验散生竹种中，粉绿竹密度最高，且密度较为稳定，变异性小；红哺鸡竹、唐竹和甜竹的密度均与毛竹相当；中华大节竹密度最低。

各试验散生竹种中，粉绿竹的抗拉强度最高，为448.33 MPa；唐竹的抗弯强度和抗压强度最高，分别为250.56、101.72 MPa；红哺鸡竹的抗剪强度最高，为22.38 MPa。多数竹种各力学强度优于毛竹，可作为高性能材料替代毛竹进行加工利用，发挥其力学性能优势。

各试验散生竹种可作为优良的制浆造纸原料。其中，中华大节竹的综纤维素含量最高，为67.90%；唐竹的α纤维素含量最高，为43.09%。另外，从减低工艺难度和工艺成本的角度考虑，低苯醇抽提物含量和低不溶木质素含量的粉绿竹、雷竹和唐竹可作为优异的制浆造纸原料。